30年"磨"一G！中国"山顶洞人"测出高精度万有引力常数

30年"磨"一G！中国"山顶洞人"测出高精度万有引力常数

　　中国科学院院士罗俊团队历经30年艰辛测出了截至目前国际上最高精度的万有引力常数G值

　　文/图 羊城派记者 孙唯

　　通讯员 刘艳玲

　　中国科学院院士罗俊团队历经30年艰辛测出了截至目前国际上最高精度的万有引力常数G值！

　　这一成果在8月30日凌晨被刊发在《自然》杂志上。8月31日下午，在中山大学珠海校区，该论文《Measurements of the gravitational constant using two independent methods》（使用两种独立方法测量万有引力常数）的其中两位作者、天琴中心特聘研究员薛超、刘祺分享了他们的研究历程。

　　万有引力常数的测量历程

　　1687年，牛顿发现了万有引力定律，从此推开了物理学新的大门。这个公式表明，大到宇宙天体，小到看不见的粒子，任何物体之间都具有相互吸引力。但是定律虽好，要想派上实际用场，还得知道G的值。

　　然而，据薛超介绍，当年牛顿只知道万有引力定律，却不知道引力常数G到底是多少。由于这个数值很小，以当时的科学技术还无法做到。所以许多年来，G值一直是个未解之谜。

　　但是常数G却有着重要意义。没有G，万有引力定律就不算完美，许多天体物理学、地球物理学、计量学等研究就很难开展。

　　直到1798年，一位名叫卡文迪许的英国科学家，为了测量地球的密度，设计出一个扭秤实验，巧妙地放大了万有引力的微小作用效果。后人通过这个实验，推算出了历史上第一个G值——6.67×10-11N·m2/kg2。

　　但怎么让这个数值更精确，是卡文迪许之后的科学家们努力的方向。

　　就在牛顿万有引力定律提出后的300年，中国科学家罗俊及其团队加入了这支寻找引力常数的队伍，此后他们几乎每十年会更新一次引力常数的测量精度。

　　如今，罗俊团队采用两种不同方法测G，给出了目前国际上最高精度的G值，即G=6.674184×10-11N·m2/kg2 和6.674484×10-11N·m2/kg2，相对不确定度优于12ppm。

　　用薛超的话来说，“之前只能精确到小数点后第三位，而如今可以精确到小数点后第四位了。”

　　30年如一日在山洞里磨小钢球

　　罗俊团队测量G采取了两种办法，分别是扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法。在这两个实验中，都有一个必不可少的实验设备——六个无磁性的、均匀密度的、直径57毫米或127毫米的不锈钢球。

　　说起来非常简单，做起来可是艰难无比。

　　薛超说，工欲善其事，必先利其器，但做一个球差不多要耗费大半年的时间，六个球要耗费2-3年甚至更久。因为正式实验时用的钢球做工要求非常精细，圆度误差不能超过1微米，约一根头发丝直径的六十分之一。

　　“球肉眼看起来是光滑的，但是放大看实际上并不是圆的，如果太凹凸不平，是没有办法计算的。”刘祺说。

　　面对厂家不愿意继续加工的情况下，团队成员就自己请专业的师傅一起磨，磨一下，就测一次。最终，经过长时间的鏖战，终于得到了圆度好于1微米以及好于0.3微米的球。

　　正所谓细节决定成败，30多年的时间里，罗俊团队不断地对完全自制的扭秤系统进行改良和优化设计。

　　除了不锈钢小球，还有扭丝特性研究、小球距离精准测量等种种难关。《自然》杂志发表评论文章称：这项实验可谓“精确测量领域卓越工艺的典范”。

　　此外，测量G值需要如此精密，可不能在普通的房间里测。刘祺说，因为G值很小，一点点环境的变化都可能导致测量的不准确。故而G值测量选在了大山的山洞中。

　　山洞冬暖夏凉，天然的恒温特性使日温度变化小于0.01°C，而且山洞恒压恒湿、抗地震效果好，可以最大限度减少外界干扰。但是实验人员由于长年不见阳光，脸上都会长白斑。

　　此外，山洞里没有手机信号，人们只能全神贯注地做实验，平常早晨起来在实验室一呆一上午，中午吃个饭，回来继续做实验。

　　期待得到完全吻合G值

　　论文的通讯作者之一、团队核心成员、华中科技大学引力中心杨山清教授曾表示，从上世纪80年代罗俊院士开始进行万有引力常数G的精确测量实验研究至今，他已将其看作是毕生的事业，几十年如一日的在山洞实验室工作。

　　杨山清教授表示，伴随着G值，一批高精尖的设备被研发出来。其中很多仪器已在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。

　　如团队开发的精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面，这些仪器将为精密重力测量国家重大科技基础设施以及空间引力波探测——“天琴计划”的顺利实施奠定良好的基础。

　　“G值不仅仅是一个数字，而是代表了我们对基础物理的极致追求，也代表了我国在精密测量领域的成就，提升了我国在基础物理学领域的话语权。“刘祺说。

　　罗俊团队表示，要解决目前G值测量的问题，需要进一步研究国际上测G实验中各种可能的影响因素，也需要国际各个小组的共同努力和合作。薛超表示，未来他们还会继续寻找下去，“目前两个数据还有点差别，希望有一天能够得到完全吻合的G值。”（更多新闻资讯，请关注羊城派 pai.ycwb.com）

　　来源｜羊城派

　　题图｜视觉中国（图文无关）

　　责编｜崔文灿